| De weergave van TappingMode is een zeer belangrijke vooruitgang in de atoomkrachtmicroscopie (AFM) van zachte, zelfklevende of breekbare steekproeven. Deze gepatenteerde techniek staat hoge resolutie topografische weergave van steekproefoppervlakten die toe gemakkelijk beschadigd zijn, los gehouden aan hun substraat, of anders moeilijk aan beeld door andere technieken AFM. Specifiek, overwint TappingMode moeilijkheden verbonden aan wrijving, adhesie, elektrostatische krachten, en andere moeilijkheden die conventionele AFM aftastenmethodes kunnen teisteren. De techniek is uiterst succesvol voor hoge resolutieweergave van een grote verscheidenheid van steekproeven met inbegrip van gebleken: - de oppervlakten van het siliciumwafeltje
- dunne films
- metalen en isolatie
- photoresist
- polymeren
- biologische steekproeven
- en talrijke anderen.
Figuur 1. Het beeld van TappingMode van gezuiverde collageenmonomeer en oligomer molecules zonder telopeptides. TappingMode maakt tot weergave deze oppervlaktenroutine in omringende lucht of vloeistoffen en vertegenwoordigt een significante vooruitgang in technologie AFM. Twee conventionele aftastenwijzen - contactwijze en niet-contactwijze - zijn gebruikt sinds enige tijd met variërend succes voor een waaier van materialen. Elk heeft beperkingen die hieronder worden besproken en met aftasten TappingMode tegenover elkaar gesteld. Conventionele Methodes Op conventionele contactwijze AFM (Figuur 2), wordt het sondeuiteinde eenvoudig gesleept over de oppervlakte en het resulterende beeld is een topografische kaart van de oppervlakte van de steekproef. Terwijl deze techniek voor vele steekproeven zeer succesvol is geweest, heeft het sommige ernstige nadelen. De het slepen motie van het sondeuiteinde, die met zelfklevende krachten tussen het uiteinde en de oppervlakte wordt gecombineerd, kan wezenlijke schade aan zowel steekproef als sonde veroorzaken en tot artefacten in beeldgegevens leiden. 
Figuur 2. Vergelijking van contactwijze, niet-contactwijze en TappingMode aftastentechnieken. (De verlaten) de wijzeweergave van het Contact wordt zwaar beïnvloed door wrijvings en zelfklevende krachten die steekproeven kunnen beschadigen en beeldgegevens vervormen. De weergave van het niet-Contact (centrum) verstrekt over het algemeen lage resolutie en kan ook door de verontreinigende stoflaag worden belemmerd die zich in schommeling kan mengen. (De juiste) weergave van TappingMode elimineert wrijvingskrachten door de oppervlakte bij tussenpozen te contacteren en met voldoende omvang te oscilleren om het uiteinde door zelfklevende meniscuskrachten van de verontreinigende stoflaag te verhinderen worden opgesloten. De grafieken onder de beelden vertegenwoordigen waarschijnlijke beeldgegevens als gevolg van de drie technieken. In de omringende luchtomstandigheden, worden de meeste oppervlakten behandeld door een laag geadsorbeerde gassen (gecondenseerde waterdamp en andere verontreinigende stoffen) die typisch dik verscheidene nanometers is. Wanneer het aftastenuiteinde deze laag raakt, veroorzaakt de capillaire actie een meniscus om zich te vormen en de oppervlaktespanning trekt neer de cantilever in de laag (Figuur 3). De Opgesloten elektrostatische last op het uiteinde en de steekproef kan extra zelfklevende krachten bijdragen. Deze benedenwaartse krachten verhogen de algemene kracht op de steekproef en, wanneer gecombineerd met zijscheerbeurtkrachten die door de aftastenmotie worden veroorzaakt, kunnen metingsgegevens vervormen en strenge schade aan de steekproef, met inbegrip van beweging veroorzaken of tearing van oppervlakteeigenschappen. 
Figuur 3. In contact AFM, trekken de krachten van de elektrostatische en/of oppervlaktespanning van de geadsorbeerde gaslaag het aftastenuiteinde naar de oppervlakte. Sommige onderzoekers hebben de moeilijkheden verbonden aan de zelfklevende krachten door AFMs met de steekproef overwonnen te werken die in vloeistof wordt ondergedompeld. Wanneer het aftasten in vloeistoffen, zijn de algemene krachten op contactwijze lager dan in omringende lucht omdat de vloeibare laag/meniscus niet aanwezig is en de elektrostatische krachten kunnen worden verdreven of worden onderzocht. Nochtans, omdat de gehydrateerde steekproeven vaak wezenlijk zachter zijn dan droge steekproeven, het volgen kunnen de krachten verminderde beeldkwaliteit en steekproefschade nog veroorzaken toe te schrijven aan misvorming en/of beweging van de steekproef door de aftastensonde. Bovendien kunnen vele steekproeven, zoals halfgeleiderwafeltjes, niet praktisch in vloeistof worden ondergedompeld. Een poging om dit probleem te vermijden is de niet-contactwijze waarin de sonde een kleine afstand boven de steekproef wordt gehouden (Figuur 2). De Attractive Van der Waals krachten die tussen het uiteinde en de steekproef handelen worden ontdekt, en de topografische beelden worden geconstrueerd door het uiteinde boven de oppervlakte af te tasten. Jammer Genoeg, zijn de aantrekkelijke Van der Waals krachten van de steekproef wezenlijk zwakker dan de krachten die door zo zwakke contactwijze in feite worden gebruikt - dat het uiteinde een kleine schommeling moet worden gegeven zodat AC de opsporingsmethodes kunnen worden gebruikt om de kleine krachten tussen uiteinde en steekproef te ontdekken. De aantrekkingskracht breidt ook slechts een kleine afstand van de oppervlakte uit, waar de geadsorbeerde gaslaag een grote fractie van hun nuttig gamma kan bezetten. Vandaar, zelfs wanneer de scheiding van het steekproefuiteinde met succes wordt gehandhaafd, verstrekt de niet-contactwijze wezenlijk lagere resolutie dan of contact of TappingMode. In de praktijk, wordt de sonde vaak getrokken aan de steekproefoppervlakte door spanning van de de geadsorbeerde gassen de' oppervlakte, resulterend in onbruikbare gegevens en steekproefschade gelijkend op dat veroorzaakt door de contacttechniek. Bovendien is de niet-contactwijze over het algemeen onpraktisch voor routineaftasten in vloeistoffen omdat de krachten Waals van de Bestelwagen der nu nog kleiner zijn, een wezenlijke beperking voor biologische in het bijzonder steekproeven. De Weergave van TappingMode in Lucht De weergave van TappingMode overwint de beperkingen van de conventionele aftastenwijzen door het uiteinde in contact met de oppervlakte afwisselend te plaatsen om hoge resolutie te verstrekken en dan het uiteinde op te heffen van de oppervlakte vermijden slepend het uiteinde over de oppervlakte. De weergave van TappingMode wordt uitgevoerd in omringende lucht door de cantileverassemblage bij of dichtbij de resonerende frequentie van de cantilever te oscilleren gebruikend een piezoelectric kristal. De piezo motie veroorzaakt de cantilever om met een hoge omvang (de „vrije lucht“ omvang, typisch groter dan 20nm) te oscilleren wanneer het uiteinde niet in contact met de oppervlakte is. Het oscillerende uiteinde is dan op weg geweest naar de oppervlakte tot het licht begint te raken, of de oppervlakte „onttrekken“. Tijdens aftasten, contacteert het verticaal oscillerende uiteinde afwisselend de oppervlakte en lanceert, over het algemeen bij een frequentie van 50.000 tot 500.000 cycli per seconde. Aangezien de oscillerende cantilever begint de oppervlakte bij tussenpozen te contacteren, is de cantileverschommeling noodzakelijk verminderde (Figuur 4) toe te schrijven aan energieverlies dat door het uiteinde wordt veroorzaakt contacterend de oppervlakte. De vermindering van schommelingsomvang wordt gebruikt om oppervlakteeigenschappen te identificeren en te meten. 
Figuur 4. De omvang van de de cantileverschommeling van TappingMode in vrije lucht en tijdens aftasten. Tijdens verrichting TappingMode, wordt de omvang van de cantileverschommeling gehandhaafd de constante door lijn terugkoppelt (Figuur 5). 
Figuur 5. Het diagram van het Blok voor verrichting TappingMode. De Selectie van de optimale schommelingsfrequentie is bijgestane software en de kracht op de steekproef is automatisch plaatste en handhaafde op het laagste mogelijke niveau (Lijst 1 en Figuur 6). Lijst 1. De Specificaties van TappingMode. | | | | De Waaier van de Frequentie van de Aandrijving | 10KHz aan 1MHz | | De Waaier van het Voltage van de Aandrijving | 0-20Vppmet 1mV RMS geluidsniveau | | De Omvang van de Aandrijving en de Aanpassing van de Frequentie | Digitaal geselecteerd. De controle van de Software en de vertoning van parameters TappingMode staan snel toe, halfautomatische optimalisering op scherm. | | Detector | RMS-aan-gelijkstroom de omvangdetector verstrekt fase-imdependent omvangsignaal; Geluidsniveau > 0.5Å RMS | | Cantilevers | Geëtste siliciumcantilevers; 60-400KHz resonerende frequenties | | Uiteinde-steekproef Benadering | De Gemotoriseerde steekproefbenadering stelt automatisch cantilever in verrichting TappingMode bij laagste mogelijke het volgen kracht | 
Figuur 6. De cantilever stemt het scherm helpt de exploitant bij het selecteren van de optimale TappingMode schommelingsfrequentie. Wanneer het uiteinde over een buil in de oppervlakte overgaat, heeft de cantilever minder ruimte te oscilleren en omvang schommelingsdalingen. Omgekeerd, wanneer het uiteinde over een depressie overgaat, heeft de cantilever meer ruimte te oscilleren en omvangverhogingen die (de maximum vrije luchtomvang naderen). De schommelingsomvang van het uiteinde wordt gemeten door de detector en de input aan NanoScope III controlemechanismeelektronika. Digitaal koppelt lijn terug dan past de uiteinde-steekproef scheiding aan om een constante omvang en een kracht op de steekproef te handhaven. TappingMode verhindert inherent het uiteinde het plakken aan de oppervlakte en schade te veroorzaken tijdens aftasten. In Tegenstelling Tot contact en niet-contactwijzen, wanneer het uiteinde de oppervlakte contacteert, heeft het voldoende schommelingsomvang om de uiteinde-steekproef adhesiekrachten te overwinnen. Ook, wordt het oppervlaktemateriaal niet getrokken zijdelings door scheerbeurtkrachten aangezien de toegepaste kracht altijd verticaal is. Een Ander voordeel van TappingModetechnique is zijn groot, lineair werkend gamma (Figuur 7). Dit maakt de verticaal hoogst stabiel systeem terugkoppelen dat, routine reproduceerbare steekproefmetingen toestaat. Verscheidene verwijzingen die weergave bespreken TappingMode zijn vermeld aan het eind van deze toepassingsnota. 
Figuur 7. Vergelijking van grote lineaire werkende waaier voor TappingMode versus kleine werkende waaier voor noncontactwijze. De Weergave van TappingMode in Vloeistoffen De Gelijkaardige voordelen worden gerealiseerd met verrichting TappingMode in vloeistoffen. In dit geval, echter, neigt het vloeibare middel om de normale resonerende frequentie van de cantilever te temperen. In Plaats Daarvan, kan de volledige vloeibare cel worden geoscilleerd om de cantilever in schommeling te drijven. Wanneer een aangewezen frequentie (gewoonlijk in de waaier van 5.000 tot 40.000 cycli per seconde) wordt geselecteerd, zal de omvang van de cantilever verminderen wanneer het uiteinde begint de steekproef te onttrekken, gelijkend op verrichting TappingMode in lucht. Zodra de cantilever in schommeling wordt geplaatst, digitale NanoScope III systeem terug aanpast de positie van het uiteinde koppelt om een constante schommelingsomvang te handhaven. Opnieuw zoals in lucht, elimineert de oscillerende cantilever wrijvings en scheerbeurtkrachten op de steekproef. Bovendien staat het proces om de oppervlakte herhaaldelijk te contacteren en het uiteinde te trekken aan een hoog tarief weg de het volgen kracht toe om gehandhaafde constante te zijn bij een minimumwaarde. TappingMode vermijdt de krachtinstabiliteit die door thermische afwijking in contactwijze, resulterende in time besparingen en betere beeld en metingskwaliteit wordt veroorzaakt. De Stabiele weergavekrachten van minder dan 200pN zijn gemeten tijdens verrichting TappingMode. Voorbeelden Figuren 8 door 14 illustreren de mogelijkheden van TappingMode voor weergave een verscheidenheid van zachte oppervlakten. Figuren 8 door 10 tonen biologische steekproeven imaged in zowel vloeistof als lucht, die de dramatische verbetering van beeldkwaliteit illustreren voor TappingMode met betrekking tot conventionele contactwijze in beide milieu's. 
Figuur 8. Beeld van TappingMode tastte in lucht van kinetoplast DNA van trypanozome van een malariaparasiet af. 
Figuur 9. De Vergelijking van (verlaten) contactwijze en (de juiste) beelden TappingMode van de polymerase van RNA tastten in vloeistof (buffer) af. Merk op dat de stroken en de wazigheid gemeenschappelijk voor zelfs de lage wijze van het kracht vloeibare contact niet aanwezig in het vloeibare beeld TappingMode zijn. 
Figuur 10. Achterste III DNA van Lambda imaged op mica met TappingMode in water. De steekproef werd afgetast onophoudelijk meer dan één uur zonder schade. Het de wijzeaftasten van het Contact van het zelfde materiaal veroorzaakte schade in minder dan één minuut - alvorens het aftasten zou kunnen worden voltooid. Figuur 11 illustreert de mogelijkheden van TappingMode met betrekking tot contactwijze voor halfgeleidermaterialen zij aan zij gebruikend vergelijkingen. 
(a) 
(b) Figuur 11. (a) Contact en (b) de beelden van TappingMode voor het zelfde (100) epitaxial wafeltje. In beide gevallen, werd het linkerbeeld eerst genomen en de aftastengrootte werd onmiddellijk verdubbeld en werd re-afgetast om het imaged gebied in het eerste aftasten te omvatten. De beelden TappingMode tonen geen oppervlaktewijziging en betere resolutie. Omgekeerd, kan het beschadigde gebied van het eerste aftasten gemakkelijk op het recht in Cijfer 11a worden gezien. De de wijzeweergave van het Contact is uiterst inconsistent voor siliciumoppervlakten; in dit geval is het materiaal verwijderd door het aftastenuiteinde, terwijl in andere gevallen, de extra oxydegroei of de subtielere veranderingen kunnen voorkomen. Dit type van oppervlaktewijziging vaak gaat undetected aangezien de meeste onderzoekers niet schade door het beïnvloede gebied bij lagere vergroting rescanning controleren. Figuren 12 door 14 zijn beelden TappingMode voor een polymeer en twee dunne films. 
Figuur 12. Het beeld van TappingMode van hoogte - dichtheidspolyethyleen van een het winkelen zak. De structuren in het beeld zijn de polymeerlamellen die ongeveer dikke 30nm en allen georiënteerd in de zelfde richting zijn om de treksterkte te verhogen. Deze structuur kon niet met contactwijze worden gezien aangezien de eigenschappen door uiteinde over de oppervlakte te slepen werden veranderd. 675nm aftasten. 
Figuur 13. Chemische damp gedeponeerde (CVD) diamantfilm. Tijdens filmvorming, worden de zaadkristallen van diamant geplaatst op een siliciumwafeltje dat dan in de het depositokamer wordt geplaatst van CVD waarin de groei in werking wordt gesteld om de dunne film te produceren. Dit beeld toont de film bij vroege initiatie van de groei. De techniek TappingMode werd gebruikt om de kristallen nauwkeuriger te profileren en te vermijden bewegend de zaadkristallen op de oppervlakte. 
Figuur 14. Thermaal verdampte gouden film, 60Å dik, die op een geoxydeerd siliciumwafeltje wordt gedeponeerd. De films werden gebruikt om spanningssensoren met hogere spanningsgevoeligheid te bouwen dan ononderbroken films. Samenvatting Om kwaliteitsbeelden te verkrijgen, is het kritiek dat het microscoopuiteinde de oppervlakte niet beschadigen die maar worden afgetast dat het de oppervlakte contacteert om hoge resolutiemetingen te verkrijgen. Dit is waar de weergave TappingMode uitblinkt. Voor vele materialen, verstrekt deze techniek de hoogste resolutie mogelijke zonder steekproefschade. De weergave van TappingMode heeft een grote verscheidenheid van toepassingen geopend en de toepasselijkheid van SPM aan nieuwe materialen en oppervlakten blijven uitbreiden. Meer op uiteinde-Steekproef Krachten in TappingMode Één van de belangrijkste voordelen van weergave TappingMode over conventioneel contact AFM is de lage krachten die tijdens aftasten worden geproduceerd. Omdat het uiteinde kort de oppervlakte tijdens elke schommeling slechts contacteert, zijn er geen zij wrijvingskrachten die op de steekproef door het uiteinde worden toegepast dat de steekproef scheuren, gegevens kan vervormen of het uiteinde afstompen. De korte contactkracht is minder dan één zou kunnen verwachten. In TappingMode wordt de cantilever geoscilleerd bij of dichtbij zijn resonerende frequentie. Zodra de cantileveromvang op het gewenste vastgestelde punt wordt gestabiliseerd, moet de steekproef slechts de kleine kracht absorberen toe te schrijven aan de verhoogde omvang tijdens één enkele schommelingscyclus; d.w.z., de tijd tussen twee opeenvolgende „kranen.“ Omdat de cantilevers die in TappingMode worden gebruikt een hoogte - kwaliteitsfactor („Q“) hebben, is de omvang die in één cyclus wordt bereikt slechts ongeveer 0.01nm in de typische weergaveomstandigheden. De kracht toe te schrijven aan deze kleine omvangverhoging kan door de overgrote meerderheid van steekproeven zonder schade aan uiteinde of steekproef worden geabsorbeerd. Wegens deze zachte aftastenkrachten, is TappingMode gebruikt met succes aan reproducibly beeld dergelijke steekproeven zoals polymeren, ongebakken photoresist en DNA, evenals talrijk andere breekbare steekproeven. Ook, hebben wij imaged herhaaldelijk ångström-vlakke microroughness van het zelfde 1mm gebied van een siliciumwafeltje onophoudelijk over een periode van 24 uur zonder degradatie van het beeld of de schade aan de steekproef. Tot Slot wordt de cantilever geoscilleerd bij frequenties van 50KHz aan 500KHz. Bij deze frequenties, worden vele oppervlakten stijf (viscoelastic) en kunnen zich tegen krachten van het sondeuiteinde gemakkelijker verzetten. Dit bezit vermindert verder de mogelijkheid van steekproefschade voor uiterst zachte steekproeven zoals polymeren, biologische specimens, en anderen en veroorzaakt minder vervorming van de steekproef toe te schrijven aan uiteindekrachten. |